DE4017547A1 - Abgasreinigungsanlage fuer ottomotoren - Google Patents

Abgasreinigungsanlage fuer ottomotoren

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Description

Stand der Technik
Die sog. Lambda-Regelung in Verbindung mit einem 3-Wege-Katalysator ist das derzeit wirksamste Abgasreinigungsverfahren für Ottomotoren. Dabei werden die Hauptschadstoffe von Ottomotoren, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid sowie Stickoxide bis zu 90% vermindert. Voraussetzung ist dabei, daß der Motor mittels elektronischer Steuerverfahren um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit λ=1 betrieben wird (wobei λ=zugeführte Luftmasse/theoretischer Luftbedarf). Dieses Verhältnis λ=1 muß dabei zur wirksamen Schadstoffreduzierung unter allen Betriebsbedingungen eingehalten werden. Dies wird durch die sog. Lambda-Regelung erreicht, die gewährleistet, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch einen Regelkreis innerhalb des optimalen Streubereiches ("Katalysatorfenster") gehalten wird. Bei dieser Regelungsweise wird das Abgas gemessen und die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend dem Meßergebnis sofort korrigiert. Als Meßfühler wird die Lambda-Sonde verwendet, die bei stöchiometrischen Gemisch (λ=1) einen Spannungssprung aufweist.
Bild 1 zeigt das Schema eines geregelten 3-Wege-Katalysators.
Kritik am Stand der Technik
Die Verwendung des mittels Lambda-Sonde geregelten 3-Wege-Katalysators verlangt unter allen Betriebsbedingungen die Einhaltung des stöchiometrischen Kraftstoff- Luftgemisches (Luft-Kraftstoffverhältnis ≈ 14,6 : 1). Im Teillastbereich, der für heutige, insbesondere hubraumstarke Kraftfahrzeuge die ganz überwiegende Betriebsart darstellt, ergäben sich bei Verschiebung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Richtung "mager" deutliche Kraftstoffeinsparungen. Den Zusammenhang zwischen Luft-/Kraftstoffverhältnis und spezifischem Verbrauch zeigt Bild 2.
Die Nutzung des Konzepts des 3-Wege-Katalysators verlangt prinzipbedingt jedoch auch im Teillastbereich zwingend die Einhaltung von λ=1.
Gravierend wird dieser Nachteil durch die sich abzeichnenden Entwicklungen im Bereich der Einschätzung von Luftschadstoffen.
Galt bislang das Augenmerk im wesentlichen den giftigen Schadstoffen wie
  • - Kohlenwasserstoffen
  • - Kohlenmonoxid
  • - Stickoxide
so werden nun Forderungen laut, das an sich ungiftige Kohlendioxid (CO₂) als Luftschadstoff einzustufen. CO₂ steht im Verdacht, durch die massive weltweite Freisetzung in die Atmosphäre Mitverursacher von Klimaveränderungen zu sein.
Das heißt, neben der Verminderung der eindeutig giftigen Abgaskomponenten ist nunmehr auch verstärkt auf eine Reduzierung des CO₂-Ausstoßes hinzuarbeiten. Vereinfachend ist der CO₂-Ausstoß etwa proportional dem spezifischen Kraftstoffverbrauch des Motors bzw. Fahrzeuges.
Gesetzgeberisch ist dabei mit folgenden Maßnahmen zu rechnen:
  • - Erhebliche Verteuerung des Kraftstoffes durch "Umweltsteuern", die dämpfend auf die Nachfrage wirken sollen
  • - Bemessung der Kraftfahrzeugsteuer u. a. anhand des spezifischen Verbrauchs des Fahrzeuges ("Strafsteuer" für verbrauchsintensive Fahrzeuge)
  • - in USA: zusätzliche Abgaben für Hersteller, deren Fahrzeuge den vorgegebenen "Flottenverbrauch" nicht einhalten
Fazit: Es müssen Maßnahmen ergriffen werden, um diesen systembedingten Nachteil des 3-Wege-Katalysators zu beseitigen.
Von einigen Herstellern ist bekannt (z. B. Fa. TOYOTA), daß sie bei Fahrzeugen mit 3-Wege-Katalysator die elektronische Motorsteuerung so auslegen, daß im Teillastbereich vom stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgewichen wird und der Motor im mageren Bereich betrieben wird. Resultierend ergeben sich günstige Werte für:
  • - Kraftstoffverbrauch (und damit CO₂-Ausstoß)
  • - Kohlenmonoxid
  • - Kohlenwasserstoffe
Jedoch fallen ungünstige Werte für die Emission von Stickoxiden an. Der 3-Wege-Katalysator funktioniert im mageren Bereich (λ<1) im wesentlichen als Oxidationskatalysator (Aufoxidation von CO, HC). Die Reduzierung von Stickoxiden wird unter diesen Betriebsbedingungen (Magerbetrieb → hoher Luftüberschuß) jedoch erheblich verschlechtert. Dieses Konzept kann somit nicht als gangbare Lösung zur Überwindung der geschilderten Nachteile von 3-Wege-Katalysatoren betrachtet werden.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte.
Lösung
Die beschriebenen Probleme werden dadurch gelöst, daß neben einem Lambda- geregelten 3-Wege-Katalysator eine Abgasrückführungsanlage eingesetzt wird. Es ergeben sich folgende Betriebszustände:
1. Hohe Last/Vollast
Der Motor wird mit λ=1 betrieben. Die Abgasreinigung erfolgt wirksam durch den Lambda-geregelten 3-Wege-Katalysator. Die Abgasrückführungsanlage ist nicht aktiviert.
2. Teillast
Zur Verbrauchsoptimierung wird der Ottomotor mit λ<1 betrieben. Den Einfluß des Luftverhältnisses auf den Kraftstoffverbrauch zeigt Bild 3 und Bild 4.
Bei konventionellen Ottomotoren liegt der verbrauchsgünstigste Bereich etwa bei λ=1,1 . . . 1,2, bei auf Magerbetrieb hin optimierten Motoren bis zu λ=1,4.
Im Idealfall kann die Leistungsregelung durch reine Qualitätssteuerung erfolgen, also Verzicht auf eine Drosselung des Ansaugquerschnittes sowie Beeinflussung der Motorleistung durch Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmenge (z. B. Direkteinspritzmotoren mit entsprechend konzipierten Brennraumformen).
Bekanntermaßen wirkt der 3-Wege-Katalysator bei λ<1 nicht mehr als "3-Wege-Katalysator". Das heißt es findet im wesentlichen nur mehr eine Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen statt. Die insbesondere im Bereich λ=1,05 . . . 1,1 stark ansteigenden Stickoxide werden im sauerstoffhaltigen Abgas nicht mehr wirkungsvoll reduziert.
Es ergibt sich im Magerbetrieb folgende Situation:
Günstig:
  • - Kraftstoffverbrauch, und damit CO₂-Emission
  • - Emission von CO
  • - Emission von HC
Ungünstig:
  • Hohe Emission von NOx, insbesondere im Bereich 1<λ<1,1.
  • Bei Abmagerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses über λ<1,1 hinaus sinken die NOx-Emissionen wieder ab.
Abgasreinigung
Die Verminderung der im Magerbetrieb ohnehin nur gering anfallenden HC- und CO-Emissionen erfolgt durch den Katalysator, der im Magerbetrieb (Sauerstoffüberschuß) als Oxidationskatalysator wirkt. Die λ-Regelung der Einspritzanlage ist außer Funktion. Die Verminderung der im Magerbetrieb anfallenden Stickoxide erfolgt durch die nun zugeschaltete Abgasrückführungsanlage (äußere Abgasrückführung).
Äußere Abgasrückführung
Bei einer äußeren Abgasrückführungsanlage wird dem Abgas des Motors ein definierter Teilstrom entnommen und dem Frischgemisch zugeführt. Die Abgasrückführung stellt eine sehr wirkungsvolle Methode zur Stickoxidsenkung dar.
Die Stickoxidemissionen lassen sich dabei um bis zu 60% absenken. Dabei ist bis zum Erreichen der Laufgrenze mit einem leichten Anstieg der HC-Emissionen zu rechnen. Dies wäre an sich nachteilig, wirkt sich im vorgeschlagenen Konzept nicht schädlich aus, da diese leicht erhöhten HC-Emissionen im Katalysator (wirkt im Magerbetrieb als Oxidationskatalysator) aufgrund des hohen Sauerstoffanteils wieder aufoxidiert werden. Die Auswirkungen der Abgasrückführung zeigen die Bilder 6 und 7.
Der Grad der Abmagerung wird durch die Laufgrenze des Motors bestimmt, wobei diese Laufgrenze stark von der konstruktiven Auslegung des jeweiligen Motors abhängt.
Steuerung der Abgasrückführungsrate
Die mögliche Steuerung der Abgasrückführungsanlage zeigt Bild 8. Die hier dargestellte Steuerung ist dabei Teilsystem einer elektronischen Zünd- und Einspritzanlage. Um eine noch wirkungsvollere und präzisere Steuerung der Abgasrückführungsrate im Hinblick auf eine Optimierung der NOx-Verminderung zu erreichen, soll neben den in o. g. Beispiel herangezogenen Meßgrößen
  • - Drehzahl
  • - Temperatur
  • - Luftmenge
  • - Saugrohrdruck
als wesentliche Meß- und Steuergröße die NOx-Konzentration im Abgas erfaßt werden. Die Messung der NOx-Konzentration kann dabei unter Nutzung geeigneter Gassensoren erfolgen. (Ausführungsbeispiele von NOx-Gassensoren s. Anlage 1 und Anlage 2).
Die kontinuierliche Messung der NOx-Konzentration ist erforderlich, da die Emission von Stickoxiden nicht konstant anfällt. Das Maximum liegt etwa bei λ=1,05 . . . 1,1. Bei weiterer Abmagerung über λ=1,1 hinaus fällt die Stickoxidemission wieder rasch ab.
Die kontinuierliche Messung der NOx-Konzentration erlaubt eine wesentliche Verbesserung der Zumessung des rückgeführten Abgasstromes. Das heißt, zur präzisen und reaktionsschellen Anpassung der Abgasrückführungsrate an die NOx-Emission ist ein NOx-Gassensor im Abgasstrom vorzusehen.
Zusammengefaßt ergeben sich bei der vorgeschlagenen Abgasreinigungsanlage zwei wesentliche Betriebszustände:
1. Große Last/Vollast
Der Lambda-geregelte 3-Wege-Katalysator ist wirksam. Es ergibt sich kein Unterschied zu üblichen Fahrzeugen mit geregelten Katalysatoren.
2. Teillast/Geringe Last
Es wird eine verbrauchsoptimierte Abmagerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gesteuert. Die Lambda-Regelung der Kraftstoffeinspritzung wird aufgegeben, der 3-Wege-Katalysator wirkt aufgrund des vorhandenen Sauerstoffüberschusses als Oxidationskatalysator. Um den Spitzenanfall der NOx-Emission im Bereich von λ=1,05 . . . 1,1 zu vermeiden, sollte im Teillastbereich stets λ<1,1 gesteuert werden. Die Vermeidung bzw. Verminderung der im Magerbetrieb auftretenden NOx-Emissionen erfolgt durch eine Abgasrückführungsanlage. Eine präzise und reaktinonsschnelle Steuerung der Abgasrückführungsanlage erfolgt mit Hilfe eines NOx-Sensors im Abgasstrom.
Die Selektion der beiden Motorsteuerungsprogramme erfolgt durch die elektronische Motorsteuerung. Das wesentliche Auswahlkriterium ist der Grad der Leistungsanforderung bzw. Leistungsabruf durch den Fahrer über die Stellung des Gaspedals:
  • - Hohe Last:
    Programm 1 (λ=1)
  • - Teillast:
    Programm 2 (λ=1)
Vorteile
  • - Gegenüber herkömmlichen, unter allen Betriebsbedingungen mit λ-Regelung betriebenen Katalysator-Fahrzeugen ist mit einer Kraftstoffverbrauchsreduzierung von bis zu 10% zu rechnen.
  • - Auch beim Betrieb im Bereich λ<1 wird durch die Abgasrückführungsanlage die Einhaltung der gesetzlichen Abgasgrenzwerte gewährleistet.
  • - Gegenüber sonstigen Magerkonzepten geht das Leistungsvermögen, die Leistungsdichte und die Leistungsentfaltung nicht verloren.
    Bei hoher Leistungsanforderung durch den Fahrer (z. B. "Vollgas") wird das Steuerprogramm "Magerbetrieb" sofort verlassen und die Lambda-geregelte Einspritzsteuerung aufgesucht (λ=1).
    Es ergibt sich somit für den Fahrer kein spürbarer Unterschied zu heutigen Fahrzeugen mit Lambda-geregelten 3-Wege-Katalysator hinsichtlich des Leistungsverhaltens.
  • - Die Ansteuerung der Abgasrückführungsanlage über einen NOx-Sensor erlaubt eine präzise Regelung und damit eine wirkungsvolle Verringerung der NOx-Emissionen.
  • - Die Anpassung der beschriebenen Abgasreinigungsanlage an konventionelle, in Produktion befindliche Motoren ist möglich.
Stand der Technik:
s. Hauptanspruch
Kritik am Stand der Technik: s. Hauptanspruch
Aufgabe: s. Hauptanspruch
Lösung: Die geschilderten Probleme werden dadurch gelöst, daß neben einem Lambda-geregelten 3-Wege-Katalysator eine Abgasrückführungsanlage eingesetzt wird. Das Grundprinzip ergibt sich wie im Unterpunkt "Lösung" des Hauptanspruches beschrieben.
Zum Hauptanspruch ergibt sich jedoch folgender Unterschied:
  • - Abgasreinigungswirkung im "Magerbetrieb" (gem. Hauptanspruch)
Gem. 1. Nebenanspruch ergibt sich nun folgender, wesentlicher Unterschied zum Hauptanspruch:
Die Abgasreinigungsanlage gem. Hauptanspruch geht von einer Reduzierung der Stickoxide im wesentlichen durch motorische, sog. "Primärmaßnahmen" aus. Das heißt, wie beschrieben durch Zuführung eines Inertgases (Abgasrückführungsanlage). Die Schadstoffe HC, CO werden im Katalysator aufoxidiert (Sekundärmaßnahmen). Im Magerbetrieb wird der Motor also mit Luft- und damit Sauerstoffüberschuß betrieben. Gem. 1. Nebenanspruch ist eine Lösung denkbar, bei der zur Verminderung der Stickoxide zwei Schritte wirksam werden:
  • - Primärmaßnahme:
    Zuführung eines Inertgases (Abgasrückführung) führt bei der motorischen Verbrennung zu einer Verminderung des NOx-Anfalls
  • - Sekundärmaßnahme:
    Die noch verbleibenden Stickoxide werden durch katalytische Reduktion weiter vermindert.
Um dies zu erreichen, müssen die Schadstoffkomponenten im Abgas in einem definierten Verhältnis vorliegen, um die
  • - Oxidation von HC, CO
  • - Reduktion von NOx
in einem Einbettkatalysator zu ermöglichen. (Also analog zum 3-Wege-Katalysatorkonzept ohne Abgasrückführung).
Im Gegensatz zum Hauptanspruch, bei dem Magerbetrieb mit Luftüberschuß realisiert wird, muß in der Lösung gem. Nebenanspruch 1 zur katalytischen Verminderung von
  • - HC
  • - CO
  • - NOx
die Abgaszusammensetzung in einem definierten Verhältnis vorliegen.
Lösung nach Nebenanspruch 1
Wird im Magerbetrieb (λ<1), bei dem gem. beschriebenen Konzept die Abgasrückführung aktiviert ist, bei gegebener Frischgasmasse und konstanter eingespritzter Kraftstoffmenge die Abgasrückführungsrate erhöht, so verändert sich die Abgaszusammensetzung.
Mit zunehmender Abgasrückführungsrate bis hin zum Betrieb unter Luftmangel
  • - verringern sich Stickoxide und Sauerstoffanteil
  • - erhöhen sich HC- und CO-Anteile
Durch geeignete Steuerung der rückgeführten Abgasmenge im Magerbetrieb ist zu gewährleisten, daß die zum Wirksamwerden des 3-Wege-Konzepts
  • - Oxidation von HC
  • - Oxidation von CO
  • - Reduktion von NOx
als Reaktionspartner erforderlichen Schadstoffanteile im optimalen Verhältnis zueinander anfallen.
Die für diese Regelung erforderliche exakte Zumessung der rückgeführten Abgasmenge erfolgt mit Abgassensoren (z. B. Sauerstoffsensor bzw. Lambdasonde und/oder weitere Abgassensoren).
Das Abgasverhalten eines mit Inertgas betriebenen Ottomotors unterscheidet sich von Motoren, die ausschließlich Frischgas ansaugen. Es ist zu untersuchen, welche Abgaszusammensetzung die besten Konvertierungsergebnisse im 3-Wege-Katalysator ergibt. Das heißt, es ist festzustellen, ob eine (Fein-)Regelung der zugeführten Abgasrückführmasse mit Hilfe der Sauerstoff- bzw. Lambdasonde optimale Ergebnisse sicherstellt.
Lösung der beschriebenen Probleme durch geeignete Steuerung der zugeführten (eingespritzten) Kraftstoffmenge Wirkungsweise
Wird im Magerbetrieb (λ<1), bei dem gem. beschriebenem Konzept die Abgasrückführung aktiviert ist, bei gegebener Frischgasmasse und konstanter Abgasrückführungsrate die zugeführte (eingespritzte) Kraftstoffmenge erhöht, so verändert sich die Abgaszusammensetzung:
mit zunehmender zugeführter Kraftstoffmenge bis hin zum Betrieb unter Luftmangel
  • - verringert sich der Sauerstoffanteil im Abgas
  • - nehmen Stickoxide zunächst zu, um bei Luftmangel wieder abzunehmen
  • - nehmen HC und CO zu
Durch geeignete (Fein-)Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge im Magerbetrieb und bei aktivierter Abgasrückführungsanlage ist zu gewährleisten, daß die für das Wirksamwerden des 3-Wege-Konzepts
  • - Oxidation von HC
  • - Oxidation von CO
  • - Reduktion von NOx
als Reaktionspartner erforderlichen Schadstoffanteile im optimalen Verhältnis zueinander vorliegen. Die für diese Regelung erforderliche exakte Zumessung der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt mit Abgassensoren (z. B. Sauerstoffsensor bzw. Lambdasonde, und/oder weitere Abgassensoren).
Das Abgasverhalten eines mit Inertgasen betriebenen Ottomotors unterscheidet sich von Motoren, die ausschließlich Frischgas ansaugen.
Es ist zu untersuchen, welche Abgaszusammensetzung die besten Konvertierungsergebnisse im 3-Wege-Katalysator liefert. Das heißt, es ist festzustellen, ob eine Feinregulierung der zugeführten Kraftstoffmenge im Magerbetrieb bei Betrieb der Abgasrückführungsanlage mit Hilfe der Sauerstoff- bzw. Lambdasonde optimale Ergebnisse gewährleistet.
Vorteile
Neben den Vorteilen wie im Hauptanspruch beschrieben, ergibt sich die Möglichkeit einer weiteren Verminderung der Stickoxide im Abgas.

Claims (3)

1. Abgasreinigungsanlage für Ottomotoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der emittierten Abgase zusätzlich neben einem Lambda-geregelten 3-Wege-Katalysator eine Abgasrückführungsanlage verwendet wird. Dabei soll der Ottomotor im Teillastbereich "mager", d. h. λ<1 betrieben werden.
2. Abgasreinigungsanlage für Ottomotoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der emittierten Abgase zusätzlich neben einem Lambda-geregelten 3-Wege-Katalysator eine Abgasrückführungsanlage verwendet wird. Dabei soll der Ottomotor im Teillastbereich "mager", d. h. λ<1 betrieben werden. Im Betriebsbereich λ<1 soll zur Stickoxidminderung neben der "Primärmaßnahme" Abgasrückführung als Sekundärmaßnahme durch geeignete Motorsteuerungsverfahren erreicht werden, daß die Abgaskomponenten in einer Zusammensetzung vorliegen, die das Funktionsprinzip eines 3-Wege-Katalysators ermöglichen (Oxidation von HC, CO/Reduktion von NOx). Die erforderliche Regelung erfolgt dabei im Magerbetrieb durch Variierung der rückgeführten Abgasmenge.
3. Abgasreinigungsanlage für Ottomotoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der emittierten Abgase zusätzlich neben einem Lambda-geregelten 3-Wege-Katalysator eine Abgasrückführungsanlage verwendet wird. Dabei soll der Ottomotor im Teillastbereich "mager", d. h. λ<1 betrieben werden. Im Betriebsbereich λ<1 soll zur Stickoxidminderung neben der "Primärmaßnahme" Abgasrückführung als Sekundärmaßnahme durch geeignete Motorsteuerungsverfahren erreicht werden, daß die Abgaskomponenten in einer Zusammensetzung vorliegen, die das Funktionsprinzip eines 3-Wege-Katalysators ermöglichen (Oxidation von HC, CO/Reduktion von NOx). Die erforderliche Regelung erfolgt dabei im Magerbetrieb durch Variierung der zugeführten Kraftstoffmenge.
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